1、 I 毕业设计（论文） 系 别 电子信息 系 专业名称 电子信息工程 班级学号 508XXXX 学生姓名 XXX 指导教师 XXX 2012 年 6 月 15 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） I 摘 要 太阳能是最环保的能源，利用太阳能来照明将是低碳生活的发展趋势。 地球资源 的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。 太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电。当某
2、个路灯出现故障不能正常发光时，该路灯系统会通过 zigbee 无线通信将此信息汇报给当地主机，主机再将此故障信息通过 GPRS 发送至远程主机监控系统，由此实现了现场无人值守的智能路灯无线监控系统 。 本系统路灯无线节点以意法半导体公司的 STM32F103RBT6 单片机为核心，通过检测路灯状态，并将路灯状态在当地无线网路汇总，再发送至远程主机进行监控。 关键词 ： zigbee， GPRS， STM32，太阳能 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） II Abstract Solar energy is the most environmental protection energy, us
3、e the solar energy to lighting will be low carbon life development trend. The earths resources, the increasingly scarce, basic energy investment cost is up, all kinds of safety and pollution hidden danger is everywhere, and solar energy as the one kind of “mine, an inexhaustible“ safety, environment
4、al protection new energy by more and more attention. Solar street lamps use the sun to the light of the battery life v effect principle, during the day the sun battery absorb solar photon energy to produce electricity, through the controller in the storage battery, and when the dark night comes arou
5、nd or lamps light is low, the battery to power supply by the controller light source. When a street lamp malfunction cant normal light, the street lamp system will through the zigbee wireless communication will this information report to the local host, host the fault information again by GPRS sent
6、to the remote host monitoring system, thus realize the unattended wireless monitoring system of intelligent street lamp. This system street lamp wireless nodes to stmicroelectronics company STM32F103RBT6 microcontroller as the core, the detection street lamp state and will state street lamps in the
7、local wireless networks stated, and then sent to the remote host monitor. Keywords: zigbee, GPRS, STM32, solar energy 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 . I Abstract .II 1 绪论 . 1 1.1 太阳能路灯的发展趋势 . 2 1.2 太阳能路灯存在的问题 . 2 1.3 本课题的意义 . 3 2 无线通信技术 . 5 2.1 ZigBee 技术概述 . 5 2.1.1 本系统中无线节点示意图 . 5 2.1.2 ZigBee 技术发展
8、. 5 2.1.3 ZigBee 技术特点及应用 . 8 2.3 Zigbee 网络拓扑结构 . 10 2.3.1 星形网络 . 10 2.3.2 树形网络 . 11 2.3.3 网状网络 . 11 2.4 ZigBee 协议架构 . 11 2.5 GPRS 通信技术概述 . 14 2.6 GPRS 的技术优势 . 14 3 系统方案及硬件电路设计 . 16 3.1 系统整体方案设计 . 16 3.1.1 系统整体结构框图 . 16 3.1.2 ZigBee 组网方式 . 16 3.2 路灯状态检测 . 19 3.3 环境光检测 . 20 3.3.1 光敏电阻电路 . 20 3.3.2 光敏三
9、极管电路 . 20 3.4 控制器核心 . 21 3.4.1 STM32 结构概述 . 21 3.4.2 STM32 单片机特点 . 22 3.5 本地无线通信 . 24 3.5.1 CC2420 基本结构及其特性 . 24 3.5.2 CC2420 引脚功能 . 27 3.5.3 无线通信模块 . 29 3.6 远程通信设计 . 30 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） IV 3.7 电源设计 . 30 4 软件流程设计 . 33 4.1 整体软件流程设计 . 34 4.2 路灯开关软件流程图 . 35 4.3 路等故障检测 . 36 结论 . 37 致谢 . 38 附录 1. 41 附录
10、2. 43 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 1 1 绪论 随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统在国内的主要应 用模式，被越来越多的所认识并接受。 跨入 21 世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。 地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重
11、视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯 等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已有很大进步。 但是， 目前各大城市道路照明系统存在一个普遍的问题 能源效率不高、管理维护困难。路灯系统是城市基础设施的组成部分，是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施。同时绿色照明是当今照明界的必然趋势，随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明消耗，照明电费日益高涨，加剧了我国日趋紧张的能源供应。鉴于我国电力主要来自于火力发电，因此照明节能不单是涉及能源供应和经济效益，而且还关乎环境保护。为了在保证照明效果的前提下节约电
12、能，一方面可以采用高 效节能灯具，如 LED 灯，另一方面需要对路灯进行科学的监控与管理，实现按需照明。特别是随着我国城市化水平的不断提高，城市路灯照明系统的不断扩大，设计一种可靠性好、智能化程度高的路灯控制系统成为城市发展的迫切需要，而以 ZigBee 技术为代表的无线传感器网络技术的发展为实现这样的系统提供了一种新的方案 1。 ZigBee 技术是一种面向低传输速率的短距离无线通信技术，具有低成本、低功耗、低复杂度、自组织、自愈合、抗干扰能力强、网络容量大等特性 5。作为一项技术标准， ZigBee 技术获得了众多大公司的支持，随着各 种支持 ZigBee的芯片的推出， ZigBee 技术
13、已经被广泛应用于环境监测、数字家庭和医疗护理等领域。从路灯控制系统的成本、信息化、可靠性和可维护性等方面考虑，结合路灯控制应用实际和 ZigBee 技术自身特点，本课题设计了一套基于 ZigBee 网络的路灯控制系统，对路灯进行远程数据采集、控制与调节，提升了路灯控制系统的智能化水平，实现了按需照明，取得了良好的节能效果。 为了适应现代化城市照明系统的建设需求，本文提出了一种利用太阳能为能源，以 STM32 为控制核心，通过 ZigBee 进行本地无线组网，将网内路灯 节点的状态信息进行汇总，汇总后的信息再通过 GPRS 传输至远程主机的智能无线路灯东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 2 监控
14、系统。 1.1 太阳能路灯的发展趋势 1.高效率化发展 路灯系统是城市基础设施的组成部分，是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施。同时绿色照明是当今照明界的必然趋势，随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明消耗，照明电费日益高涨，加剧了我国日趋紧张的能源供应。 这也是现在城市大力发展太阳能路灯的原因，因此，太阳能路灯的效率是非常重要的一项指标，随着科学技术的发展，一大批高性能的电力电子元器件和技术被广泛使用，这些器件都有 着高效率，低成本等优势，合理的应用新技术和新产品，可以将太阳能路灯的高效率推到一个更高的层次。 2.智能化发展 作为城市的基础设施，路灯系统影响着城市里的每一个人，它
15、的意外故障甚至威胁到市民的生命健康，因此，现在的太阳能路灯系统都向着智能化的方向发展，例如本系统设计，每个路灯节点都有一个路灯故障检测器，当路灯出现意外故障时，该节点会将此信息向当地主机汇报，主机再将信息发送至远程主机，这样，一旦某个路灯出现故障，远程监控人员便能迅速明确具体故障地点，并及时安排维修人员，保证路灯系统的正常运行，为市民的生活提供最大 的方便。 3.环保化发展 太阳能路灯之所以受到重视，除了缓解能源供应紧张的问题，另一个重要原因就是太阳能路灯具有非常好的环保性能，它的能源提供不需要任何化石燃料，仅仅需要安全无污染的太阳能，因此，太阳能路灯是一种环保的路灯系统，为了保证太阳能路灯系
16、统的环保性，其配套设计也需要同样保持环保性能，所以在设计太阳能路灯系统时，采用环保器件和方法十分重要。 1.2 太阳能路灯存在的问题 太阳能路灯系统作为一种环保节能，智能化的路灯系统，已经得到世界各国的重视并正在进行大力发展和应用推广，随着相关技术的迅 速发展，太阳能路灯的发展也日新月异，具有越来越多其他系统所无法比拟的优势，但是在太阳能路灯的实际应用中，其由于自身特点也暴露出一些问题，这些问题主要表现在： 1、成本较高，太阳能智能路灯系统有着很多技术和功能上的优势，但在拥有这些优势的同时，它也具有另外一个较大的缺陷，那就是使用成本较高，不论从能源获取的太阳能电池板上来看，还是每个路灯节点控制
17、系统的设计来看，太东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 3 阳能路灯系统都有着一定的成本劣势，虽然随着科学技术发展，这些成本正在快速下降，但在现阶段，太阳能路灯发展的最大阻碍就是成本问题，不过随着能源危机越来越严重，技术发展大力降低成本，太阳能路灯的发展必然是时代的趋势，太阳能路灯的相关技术研究仍然十分必要。 2、能源利用率较低，太阳能路灯的能源全部由太阳能电池板提供，而现阶段受生产技术的限制，太阳能电池板的光能利用率还不是太高，在阴雨天气，太阳能电池白天所存储的电能可能还不够晚上的电能消耗，这也限制了太阳能路灯的大规模使用，现在的普遍解决方案就是增大太阳能电池板的面积，提高整体功率保证其正常使
18、用，但是这样的做法一是增加了成本，二是浪费了太阳能电池板资源，不符合其环保特性，另外过大的太阳能电池板 面积还会导致产品面积过大，影响安装方便性，增大了故障率等，因此在太阳能路灯推广应用阶段，解决太阳能电池板效率十分重要，这也需要科学技术的进一步发展。 3、集成度不高，作为一个智能太阳能路灯系统，每个路灯的控制系统相对来讲是比较复杂的，里面涉及到很多功能电路，比如路灯检测，路灯开关控制，本地无线网络信息传输， GPRS 远程信息传输等，现在的大部分路灯方案，这些功能电路相对来讲是比较分离的，他们都是使用的自身专用芯片，再将其组合成为一个完整的路灯控制系统，系统集成度很低，这样的缺点主要在于系统
19、电路设计较为 复杂，电路板面积较大，故障率较高，成本较高，功耗较高，导致这个问题的主要原因还是太阳能路灯还没有得到真正广泛的推广应用，所以相关的高集成度控制芯片还很少，随着太阳能路灯的大规模应用，此问题也将得到较好的解决。 1.3 本课题的意义 跨入 21 世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面： (1)能源短缺。常规能源的有限 性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发
20、展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到 2020 年，天然气也只能延续到 2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。 (2)环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 4 (3)温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效 应，引起全球气候变化。 地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太
21、阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规 模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。 随着城市化进程的大力推进，作为城市发展的基础设施，路灯系统也会向着智能化，绿色化，高效化的方向发展，在这个过程中，太阳能路灯系统作为一种非常符合未来路灯 发展趋势的方案，必然会得到大力的发展和应用。本课题正是在此背景下，提出了一种智能路灯系统方案，并对软硬件进行设计，从理论上分析验证了此方案的可行性。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 5 2 无线通信
22、技术 2.1 ZigBee 技术概述 2.1.1 本系统中无线节点示意图 本系统中无线节点的分布示意图如图 2-1 所示。 节点节点主机远程主机图 2-1 无线节点分布示意图 此结构主要由三部分组成： 节点：此处的节点就是系统中的实际路灯杆，每一个路灯都是一个节点，并且每个节点内都包含一个 ZigBee 的无线通信 功能模块，各个节点可以互相通信，即可将本节点路灯的故障信息通过其他节点传送至主机。 主机：此处的主机就是本地无线网络中的本地主机，它和其它节点路灯的唯一不同就是其内部包含了一个可以向远程主机发送信息的 GPRS 通信模块，在工作时，本地的节点所有的故障信息都通过节点中转后发送到主机
23、，主机再将这些故障信息一并发送至远程主机上。 远程主机：前两部分就组成了本地路灯的无线通信系统，能够将系统内所有的信息转发至本地主机内，而远程主机与路灯节点的距离可能很远，他们之间无法通过 ZigBee 通信进行信息发送，而是通过 GPRS 通信方式，而它接受的信息就是本地网络中的主机通过 GPRS发送的信息。 2.1.2 ZigBee 技术发展 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络 (Personal Area Network: PAN)和无线个人区域网络(Wireless Personal Area Network: WPAN)的概念。 WPAN 网络为近距离范围内的
